井眼轨迹测量计算剖析

新技术

LWD 地质导向 要求实时传输的数据越来越多

EM—MWD
电磁波数据传输技术近年来得到较快的发展 和应用。这是一种低频无线电波数据传输 技术。与传统的钻井液压力脉冲和声波传 输技术相比,它的优点是数据传输速率快(是 传统传输技术的5 倍) ,而且不受井下环境条 件(如含气相钻井液) 的影响。由于它有这些 优点,近年来,电磁波数据传输技术在使用含 气相流体的钻井液进行欠平衡钻井领域的 使用很普遍。
EM-MWD
图1 常见发射天线示意图 （a）垂直磁场天线 （b）环形线圈耦合垂直电场天线 （c）直接耦合垂直电场天线
图3 天线延长式EM－MWD在深海钻进中的应用
双向电磁波随钻测量系统试验
中国地质大学（武汉）
第三节 井眼轨迹测量计算
一、井身测斜计算的意义及内容
1、意义： ① 了解实钻轨迹和设计轨迹的偏差，用以指导施 工。 ② 实钻井身形状是固井、完井、试油、采油等工 作的设计依据。 ③ 统计分析地层自然造斜规律、方位漂移规律以 及工具能力。 ④ 检测实钻井眼曲率。
电子陀螺多点测斜仪：能记录较为完整的井 身数据，是一种较为先进的测斜仪器。 随钻测斜仪（MWD）：钻进时实时将井下 数据传输到地面。 型式：有线随钻、无线随钻 数据传输方式：泥浆脉冲方式 常用于定向井水平井、定向井段以及扭方 位井段的钻进。
随钻测斜仪（MWD）的应用发展： 早期只能在钻进时实时传输井下数据 （井斜、方位、钻压、扭矩等）。目前已经 出现了测斜+测井(LWD)方式、测斜+测井+ 井下自动导向，最先进的钻井方式：井下闭 环地质导向系统。 国外已经有广泛的应用，主要为世界大 石油公司。 国内研究有了一定的进展。

陀螺定向原理
高速旋转陀螺支撑于自身的转轴及内、 外环的转轴上，三轴在空间相互垂直 正交并交于一点，该点与陀螺的重心 重合，使陀螺电机具有三个方向的自 由度。三自由度高速旋转的陀螺转子 轴，在轴承无磨擦的情况下，在空间 的方向保持不变，这个特性称作陀螺 仪的定轴性。陀螺还具有进动性，即 外框架转轴上有干扰力矩时，内框架 转轴进动，使陀螺轴发生倾斜，因此 要进行水平修正；而内框架转轴上有 干扰力矩时，外框架转轴转动，使陀 螺轴产生漂移，因此要进行漂移量修 正。
第四节 钻孔弯曲的 测量及仪器
一、顶角测量原理 液面水平原理（氢氟酸测斜）
第四节 钻孔弯曲的 测量及仪器
一、顶角测量原理
悬锤原理 悬锤测量钻孔顶角的原理是利用地球 重力场，如下图所示。框架可绕a轴灵活 转动，b轴与a轴垂直相交，在b轴中点0 悬挂一能灵活转动的弧形刻度盘，刻度 盘转动面与钻孔弯曲平面一致，刻度盘 因重力作用永远下垂。当仪器在垂直孔 内时，刻度盘上的0º正对准弧形竖板了 上的标线，即顶角为0º；当仪器在倾斜 孔内时，弧形竖板倾斜一个角度，此角 度就是钻孔顶角θ。
Hy
HZ
V1
大口径钻孔简易测斜原理
一、铅垂测斜原理
如图 5－10 所示Ａ为悬挂点，Ｂ点为孔口中点，测 量 DE 截面处的孔斜。 由测绳 AE 悬挂一重物， 如钢筋笼 等，悬挂物基本与钻孔口径一致，E 为悬挂物的中点。 测量开始时，测出地面孔口的中心点，当悬挂物下 至 DE 截面时，测出测绳在孔口偏斜的方向与偏斜距离 BC。则钻孔偏移量 DE 可由下式求出：
二、方位角测量原理
地磁定向原理 地磁场定向原理是利用罗盘磁针的指北特性或磁敏感元 件(磁通门)确定倾斜钻孔的方位角。因此，测量时罗盘 必须处于水平状态，并且罗盘上0º线必须指向钻孔弯曲 方向。为了满足这些要求，罗盘的转动轴应垂直于钻孔 弯曲平面，并且在其下部装有重块，使罗盘保持水平。 此外，罗盘上0º与180º连线及框架上的偏重块都在框架 的垂直平分平面内(即钻孔弯曲平面内)，偏重块与180º 线同侧。这样一来，在倾斜钻孔中180º线必定指向钻孔 弯曲方向。此时，0º线与磁针指北方向的夹角就是钻孔 的磁方位角。(如右图)
石英挠性伺服线加速度计原理结构如图

当沿敏感轴线(图中所示点划线) 有加速度输入时由挠性片及力 矩线圈组成的敏感质量块相对 平衡位置运动而产生惯性力(或 惯性力矩) 然后通过换能器将此 机械运动转换成电信号再通过 伺服放大器变成电流信号将此 电流信号反馈到处于恒定磁场 中的力矩器导致产生反馈力 F b(或反馈力矩 M b) 与惯性力F (或 惯性力矩M )相平衡直至再次恢 复到平衡位置.
钻孔弯曲的测量及仪器
一、顶角测量原理
测量顶角度必须符合两个条件：该角度代表测点钻孔轴线与铅垂线的 夹角；该角度在钻孔弯曲平面内。 液面水平原理（氢氟酸测斜）
把20～30％浓度的氢氟酸注入长度为100～150mm内径为15～25mm的玻璃 试管中。注入量为试管长度的1／3左右。然后，将盛有氢氟酸的玻璃试 管装在特制的接头内，用橡胶塞加以密封。用钻杆将其下到孔内待测位 置，静止停留15～25min后，提钻取出试管。由于氢氟酸对玻璃的腐蚀作 用，在试管上留有液面痕迹。根据液面的高低，就可算出顶角。 由于有毛细管的作用，试管形成了如右图所示的蚀痕曲面。由此测出的 顶角必须校正，按下式可求出实际顶角θ： θ=θ′+E 式中θ—钻孔的实际顶角，θ′--玻璃试管上实测顶角，E——校正角 为了避免计算和校正上的麻烦，可以利用倾斜仪来直接测定。
一是该角度必须是钻孔轴线上某点的切线方向与地北的夹角； 其二该角度必须是水平面上的角度。 在无磁性干扰或干扰很小的孔段中，可利用地磁场定向原理； 在有磁屏蔽(如在套管内)或磁干扰较大(如存在磁性矿体)的孔段 中，因为磁针失去定向能力，可用地面定向原理。
方位角测量

磁通门 陀螺仪
钻孔弯曲的测量及仪器
Gx tgGTF Gy
磁工具面角（MTF):
Hx tgMTF Hy
Gx
GTF
Gy
井斜、方位、工具面角的计算
方位:
G Gx Gy Gz
2 2 2
V2
G
Mag. North
Hx

G ( H x G y H y Gx ) V2 tg V1 H z (Gx 2 G y 2 ) Gz ( H y G y H xGx )
方位的测量原理：使用磁性测斜仪测量地磁 方位或使用陀螺（地面定向正北方向、启动 陀螺后由于进动作用指向不变）。
磁性测斜仪：利用罗盘（compass)测量井 眼方向的地磁指向。主要部件有摆锤、照相 机（带定时器），适用于裸眼井段、配套无 磁钻铤（NMDC）。 讨论：1、磁屏蔽作用； 2、地理方位与地磁方位；
陀螺仪

陀螺的原意为高速旋转的刚体，而现在一 般将能够测量相对惯性空间的角速度和角 位移的装置称为陀螺。陀螺是一种即使无 外界参考信号也能探测出运载体本身姿态 和状态变化的内部传感器，其功能是敏感 运动体的角度、角速度和角加速度。陀螺 仪有两大特性，即定轴性和进动性。
பைடு நூலகம்
陀螺特性
定轴性：如果陀螺不受外力矩作用，则主 轴在惯性空间永指向确定方向，陀螺的这 种特性称为定轴性。 进动性：对陀螺施力，则陀螺主轴的运动 并不发生在力的作用平面内，而是与此平 面垂直。陀螺的这种特殊运动称为进动。
地磁场定向原理图 钻孔方位角示意图
磁通门

磁通门测量地球磁场沿固定轴线的强 度。图示为线圈缠绕的软铁芯。如果 把这个铁芯放在 变化的磁场中，磁流 将集中在这种线圈中并在电线中产生 电流。电流的大小取决于暴露在磁场 中透磁量的大小。如果线圈放在与磁 场成90度时电流将最大，其他位置时 电流减小。因此电流的大小可以度量 出磁场和线圈的角度。但是只有变化 的磁场才能产生电流，而地球的磁场 是不变的而且也不能移动线圈因为这 样会减低方向测量精度。线圈必须保 持固定并且与测量工具的一个参考轴 对齐。用磁通门装置可以测量磁场沿 特定轴强度。
第三节
井眼轨迹测量计算


一口井钻完后需要了解井眼轨迹的形状， 以及是否打中了预计的目标层。在实钻过 程中也需要及时了解已钻井眼的轨迹形状， 以便判断其发展趋势及时采取措施进行轨 迹控制，这就需要进行井孔测量并根据测 量数据进行轨迹计算，这种井孔测量在工 程术语中称作测斜。 井眼的轨迹是通过测量不同井深的井斜和 方位并通过适当的计算确定的。
实际井眼轴线的测量与计算
第三节 井眼轨迹测量计算
2、内容：
①
测段计算：算出每个测段算算如下参数
H、S（水平投影长度）、N、E、K、V
②
测点计算：据测段参数，算出每个测点的如下参数。
悬锤原理测量钻孔顶角示意图
重力加速度仪
随钻测量对加速度计的主要要求

有较高的精度 较好的抗震性能
伺服加速度计

力平衡式加速度计： 一个悬垂、高导磁性 的物体是向下还是处 于中点，由中位检测 器检测并由磁力线圈 提供一个反向平衡力 使其保持中位。

磁悬浮重力加速度传感器主要由绕 有两个绕组的王字架、圆柱形磁钢 和悬浮磁钢的磁液组成。磁钢放入 王字架的轴孔内,轴孔内灌满磁液。 当没有外来加速度时,磁钢处于机 械0 位,两绕组的电感相同,其输出 为0。当有加速度作用于磁钢轴线 上时,磁钢移位引起两个绕组的电 感一增一减,传感器上出现不平衡 电压,此电压经带通放大、相敏检 波、滤波之后,经反馈电阻Rf 将反 馈电流If 输入到加速度传感器内的 两个绕组, 产生一个与重力加速度 相反的电磁力,阻止磁钢移位。
一、井眼轨迹测量


单点测斜仪 多点测斜仪 有线MWD MWD
一、测斜方法与测斜仪 井斜的测量原理：使用重力摆锤、摆锤始终 位于铅垂线上，测量摆锤与井眼中心线（仪器中 心线）的夹角—井斜角。 照相记录方式：记录下摆锤中心偏离井眼轴 线的距离（对应于井斜角）。 电子记录方式：摆锤偏离中心线夹角数值转 换成电信号。
磁通门原理
两个同样的线圈反方向绕线。交变电流 通过主线圈产生磁场使芯饱和。如无外 磁场，则电压为零，因为线圈反方向。 但是，若有外磁场存在，则一个铁芯会 比另一铁芯提前饱和，引起电压输出错 相位，产生电压脉冲。因此设置在与外 磁场一定角度的检测线圈会产生一个与 通过磁环磁流变化率大小相对应的电压。 而这个电压的大小也与外磁场强度相对 应。所以三轴磁通门可以测定地球磁场 沿三个正交轴线的分量。
测斜方法：投测、吊测。 投测：仪器从钻柱内孔投入，钻柱上有配套 测斜短节定位测斜仪。投测后必须起钻。 吊测：使用钢丝绳将仪器吊入钻柱内孔，测 量完毕后起出测斜仪。 磁性测斜仪的种类：单点、多点 单点测斜仪：定向、扭方位过程中监测井 眼轨迹。 多点测斜仪：起钻前投入钻柱内孔，按照 定时器进行起钻操作，一般每起一柱钻杆测 量一次，获得较为完整的井身数据
DE
AD BC AB
（5－16）
也可以测出此处的累计倾角：
tg
DE BD
（5－17）
钻孔倾斜方位角可在孔口直接测出
侧入接头（有线MWD用)
MWD脉冲发生器
基本MWD
工作原理(正脉冲)
泥浆泵使钻井泥浆在钻铤内高速 流动，而叶轮带动转子转动，转子 每步转动45。转子与定子各有四个 齿，转子的齿与定子的齿对齐时为 旋转阀开，错开45时为旋转阀关。

传统机械式 静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和微机电振 动陀螺。

863新项目“油气井井眼轨迹高精度随钻惯性 测量装置关键技术研究”
MWD传感器原理图
井斜、方位、工具面角的计算
井斜:

tg
Gx G y Gz
2
2
GZ
G
Gx G y
2
2
井斜、方位、工具面角的计算
高边工具面角（GTF):
Inclination & Highside Toolface Magnetic North
Earth’s Gravitational Field Vertical
Inclination: Toolface:
钻孔弯曲的测量及仪器
二、方位角测量原理
根据钻孔方位角的定义，方位角的测量必须满足两个条件：
旋转阀的开与关位置不同产生 的压力值之差为脉冲器产生的压力 波幅值。井下电子测量/定向短节测 量井下数据，转换成电压脉冲编码 给驱动器，功率驱动器驱动旋转阀 脉冲器产生泥浆压力脉冲波，泥浆 压力脉冲波传到地面，地面检测此 压力脉冲波，解码还原数据。
旋转阀脉冲发生器
旋转阀脉冲器
驱动器
电池
电子测量/定向短节